顧承揚，劉云泊，雷海蓉

（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)量保證部，上海201805）

目前汽車行業(yè)零部件焊縫質(zhì)量監(jiān)控通常采用人工切片法，該方法處理周期長、成本高、且只能抽檢局部焊縫的質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，企業(yè)將面臨整批零件報廢。焊接工藝規(guī)范的設(shè)定，是以首件疲勞試驗合格為基礎(chǔ)的，如果在批量生產(chǎn)過程中焊接參數(shù)超出設(shè)定規(guī)范或被誤修改，會造成焊縫熱影響區(qū)的變化，即使焊縫外觀無缺陷，產(chǎn)品疲勞性能也會大打折扣，存在安全隱患[1]。隨著信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和機器人焊接技術(shù)的大規(guī)模普及，從過程中保證批量產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，實時監(jiān)控機器人焊接主要參數(shù)，將焊接的理化過程量化識別和分析，已被業(yè)內(nèi)重點關(guān)注[2]。國際主流焊機品牌都在加緊開發(fā)研究，如奧地利Fronius焊機有監(jiān)控模塊Q-Master，美國Miller焊機有監(jiān)控模塊Insight Centerpoint，由于通訊接口的限制，這些監(jiān)控系統(tǒng)只限于在品牌內(nèi)使用，形成壟斷價格高昂。J.D.Cullen[3]等研究的在線質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)僅限于點焊?；『甘且粋€復(fù)雜多變的過程，其中焊接參數(shù)（電流、電壓、時間）的非預(yù)期變化對焊縫質(zhì)量影響最大，因此是主要監(jiān)控的焊接工藝參數(shù)。弧焊參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)一般包括焊接工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲與追溯三個方面。有科研工作者嘗試做過一些基礎(chǔ)研究，如，劉芳、陳方嶺等研究了焊接監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了工藝參數(shù)在線監(jiān)控與查詢，通過該系統(tǒng)可以積累大量的數(shù)據(jù)，為進一步優(yōu)化焊接工藝及全過程焊接管理體系提供了有效平臺[4-5]。王盛弢等研究的弧焊參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)，在監(jiān)控焊接工藝的同時，通過數(shù)字圖像處理實現(xiàn)了監(jiān)控參數(shù)的可追溯性[6]；呂陽設(shè)計了一套基于Access數(shù)據(jù)庫的機器人焊接過程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)專家經(jīng)驗實現(xiàn)對焊接參數(shù)及視頻等多信息的智能監(jiān)控[7]。

目前未發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在汽車行業(yè)成熟應(yīng)用于焊接批量生產(chǎn)且具有通用性的監(jiān)控系統(tǒng)。因此，本文基于產(chǎn)品焊接批量生產(chǎn)的實際需求，進一步研究了焊接參數(shù)的分段監(jiān)控及可追溯性的實現(xiàn)方法，讓監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加可靠高效地服務(wù)于焊接生產(chǎn)線。

1　焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)組成

焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)中繼站、服務(wù)器、工控機、人機交互接口，如圖1所示。采集裝置為電流霍爾傳感器和電壓霍爾傳感器，電流、電壓信號采集終端分別與焊機電源的輸出端連接。數(shù)據(jù)采集端通過CAN總線與所述數(shù)據(jù)中繼站連接，再與服務(wù)器相連。本系統(tǒng)采用業(yè)內(nèi)通用的VLIW（Very Long Instruction Word）架構(gòu)服務(wù)器，使用多顆高性能CPU搭建中央處理單元計算架構(gòu)，增強其并行處理能力；數(shù)據(jù)存儲單元采用工業(yè)級磁盤陣列存儲，保證客戶數(shù)據(jù)存儲的時效性、完整性和可靠性；網(wǎng)絡(luò)傳輸單元采用雙千兆網(wǎng)卡傳輸交換數(shù)據(jù)；顯示單元采用工業(yè)級Matrox顯示卡，并通過高清晰度多媒體接口HDMI傳輸信號，保證信號的完整性和及時性。數(shù)據(jù)傳輸下端傳輸采用CAN總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上端傳輸采用以太網(wǎng)方式，增強系統(tǒng)的可接入性及擴展性。焊接參數(shù)在線監(jiān)控與精確追溯系統(tǒng)，物理連接簡單無須復(fù)雜布線，采集裝置掛于設(shè)備外，通用性強，適用于各種多變的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境。

圖1　焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

2　系統(tǒng)功能及特點

本系統(tǒng)的功能特點在于在線監(jiān)控與精確追溯兩個方面，一方面通過數(shù)據(jù)采集及處理，在線監(jiān)控重要焊接參數(shù)來判斷焊接過程質(zhì)量穩(wěn)定性，從而指導(dǎo)操作者提前采取措施優(yōu)化焊接過程。另一方面由于本系統(tǒng)實現(xiàn)了焊縫與參數(shù)的精確追溯，操作者可通過HMI（Human Machine Interface人機交互界面），查詢?nèi)毕菁?yīng)焊縫的歷史焊接參數(shù)，能夠更有針對性的分析問題。如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能邏輯框圖

2.1　焊接參數(shù)取樣

焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)采樣使用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器直接測量電流電壓，無需對焊接電源進行任何改動，也沒有焊機品牌限制。焊接過程不同熔滴階段的瞬時電流電壓差別大，通過比較不同采樣頻率F（1 Hz～100 Hz）的數(shù)據(jù)，選擇合理的采樣頻率。本系統(tǒng)采樣頻率可依據(jù)不同產(chǎn)品需求在上述范圍內(nèi)調(diào)整，同時可設(shè)置電流和電壓校正系數(shù)對采集數(shù)值進行補償。本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，在提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時保證數(shù)據(jù)的完整性和穩(wěn)定性，采集終端先將數(shù)據(jù)壓縮存儲在本地，按一定頻率上傳中繼站，數(shù)據(jù)在服務(wù)器端解壓還原，服務(wù)器剔除損壞的數(shù)據(jù)包。

為避免焊縫起收弧影響，將焊縫分段為起弧段、主焊縫和收弧段進行控制。同時需要設(shè)置取樣邊界條件，對取樣數(shù)據(jù)做降噪處理，剔除起、收弧過程的短路電流及干擾電壓。

如圖3所示，假設(shè)機器人啟動指令A(yù)RC ON信號后一段時間為t1，暫停指令A(yù)RC OFF信號前一段時間t2，為了剔除干擾數(shù)據(jù)，記錄t1區(qū)間后的實時數(shù)據(jù)，記錄t2區(qū)間前的數(shù)據(jù)，作為該條焊縫的有效取樣區(qū)間。根據(jù)設(shè)備情況和生產(chǎn)經(jīng)驗，設(shè)定電壓Umin＜U＜Umax，電流Imin＜I＜Imax為參數(shù)正常范圍。

圖3　焊接參數(shù)取樣示意圖

本系統(tǒng)通過批量實踐驗證，當t1=t2=0.7 s，Umax=40 V，Imin=50 A，F(xiàn)=10 Hz時，取樣效果較好。

2.2　焊接參數(shù)在線監(jiān)控及預(yù)警

焊接參數(shù)在線監(jiān)控是為了從生產(chǎn)過程中監(jiān)控焊縫質(zhì)量狀態(tài)，確保焊接參數(shù)在工藝許可范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)問題，則生產(chǎn)者可第一時間做出反應(yīng)，以免造成零件批量報廢。

本系統(tǒng)采用Visual C++進行軟件開發(fā)，對取樣數(shù)據(jù)處理后，可沿時間軸在同一界面上同時記錄每段焊縫實時電流、電壓，并伴隨曲線形式實時顯示，如圖4所示。

圖4　電流電壓實時在線監(jiān)控界面

由于焊接過程受外界干撓因素多，為了降低焊接質(zhì)量問題的誤判率，提高批量生產(chǎn)的流暢性，本系統(tǒng)將實時電流和實時電壓值與預(yù)先設(shè)定的極限范圍進行比較。本系統(tǒng)可設(shè)定兩種極限范圍，定義零件每條焊縫的焊接生產(chǎn)質(zhì)量控制計劃要求公差為第二極限，當焊接參數(shù)超出第二極限時，焊縫質(zhì)量應(yīng)判為不合格，應(yīng)停止生產(chǎn)。第一極限為根據(jù)批量生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計及經(jīng)驗，在第二極限內(nèi)的設(shè)定的預(yù)警公差。當實時焊接參數(shù)超過第一極限范圍時，系統(tǒng)預(yù)警為黃色，當超過第二極限范圍時顯示為紅色,顏色的示意區(qū)域如圖5所示。如果超過第二極限的穩(wěn)定時間高于閥值（本系統(tǒng)擬定Threshold time=2S），監(jiān)控系統(tǒng)立即報警停機，操作工必須對該焊接工件進行質(zhì)量檢查，重新復(fù)位后生產(chǎn)線才能繼續(xù)生產(chǎn)，設(shè)計的在線監(jiān)控流程如圖6所示。

圖5　監(jiān)控軟件在線報警示界面

圖6　在線監(jiān)控系統(tǒng)控制流程圖

為了滿足操作的靈活性，系統(tǒng)的極限范圍的上、下限數(shù)值既可以根據(jù)焊接工藝參數(shù)表手工設(shè)置，也可根據(jù)批量焊接統(tǒng)計結(jié)果按自定義規(guī)則生成。為了保證采樣數(shù)據(jù)與原始品牌焊機的準確性，系統(tǒng)可通過設(shè)置校正系數(shù)對采樣結(jié)果進行修正，如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置界面

2.3　焊縫與存儲的焊接參數(shù)精確追溯

在實際生產(chǎn)過程中，工件中的焊縫往往不止一條，采集和存儲的工藝參數(shù)只有實現(xiàn)與焊縫精確追溯，這些數(shù)據(jù)才有效，否則后續(xù)就不具備可分析的條件。

在批量生產(chǎn)過程中，零件按照既定的焊接工藝生產(chǎn)，焊縫的焊接順序是唯一的，因此本系統(tǒng)按照焊接時間鎖定不同焊縫編號對應(yīng)的焊接參數(shù)。在系統(tǒng)的歷史記錄頁面，可以根據(jù)工件名（追溯碼）查詢歷史電流及電壓曲線，以及每條焊縫的平均電流、電壓值及每條焊縫的焊接時間等信息，如圖8所示。

圖8　通過工件追溯碼查詢歷史焊接工藝參數(shù)和曲線

焊縫的焊接過程須遵循焊接工藝指導(dǎo)書，焊接工藝參數(shù)須滿足公差范圍要求。以某車型后橋上橫向?qū)U中的2條焊縫為例：為了更好的滿足整車臺架耐久試驗性能要求，如圖9所示，將工件焊縫1分割為3段，這3段焊縫分別對應(yīng)焊縫工藝Job5、Job6和Job18，將焊縫2分割為5段，分別對應(yīng)焊縫工藝Job7、Job8、Job9、Job10、Job19 進行精細化控制，不同的Job之間有不同的工藝參數(shù)（電流、電壓、時間）要求區(qū)間。本系統(tǒng)可通過工件代碼查詢到零件每段焊縫及每個job的詳細歷史工藝參數(shù)，如平均電流、平均電壓、焊接時間，為后續(xù)零件的焊縫質(zhì)量評估提供了可靠的量化依據(jù)，如圖10所示。

圖9　某車型后橋上橫向?qū)U焊縫示意圖

圖10　系統(tǒng)查詢的焊縫分段的工藝參數(shù)與工藝要求對比

2.4　零件追溯碼及整車精確追溯

焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)針對每個工件生成唯一的追溯碼。該追溯碼包括工件的產(chǎn)品代碼、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)班次、焊機轉(zhuǎn)臺、工位號和序列號。系統(tǒng)將狀態(tài)數(shù)據(jù)存入到追溯碼中，實現(xiàn)工件與生產(chǎn)時間、焊接參數(shù)之間的精確對應(yīng)關(guān)系。焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)包含打印機，將追溯碼打印在工件的表面上形成鋼印。在機器人焊機開始焊接時，機器人焊機將追溯碼傳送給可編程邏輯控制器，然后由可編程邏輯控制器出送給服務(wù)器，服務(wù)器同時將焊接時的狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄在相關(guān)焊接規(guī)范上。本系統(tǒng)已應(yīng)用的零件追溯碼共有14位，編碼規(guī)則如表1所示，依次按照年、月、日、班次、工作站號、夾具號、工裝號、序列號進行編碼。

表1　零件編碼規(guī)則

例如：16071811B07134表示16年7月18日第1班第1個工作站B面第7號工裝焊接的第134件產(chǎn)品。

后續(xù)將追溯碼轉(zhuǎn)化為二維條碼并粘貼在零件上，通過上級總成裝配掃描，實現(xiàn)工件與整車VIN號精確對應(yīng)。從正向追溯的角度來看，可以準確的查詢到某一焊接工藝下的工件裝配到了哪輛整車上，從逆向追溯的角度來看，可以準確查詢到某一輛車上的某個工件生產(chǎn)時的實際焊接參數(shù)是否滿足質(zhì)量要求。假如售后市場發(fā)現(xiàn)一例客戶抱怨該零部件焊縫有質(zhì)量問題，那么可以讀取工件上刻印的追溯碼，通過本系統(tǒng)精確查詢到當時生產(chǎn)過程的焊接參數(shù)，作為質(zhì)量問題分析的有效依據(jù)，同時能夠?qū)Ρ确治鰵v史焊接過程工藝，判斷是否涉及其他批產(chǎn)零件，從而可以快速、高效且有針對性的分析問題。

又如，當發(fā)現(xiàn)X年Y月Z日A班生產(chǎn)的這一批200個工件有焊接質(zhì)量問題，只需從系統(tǒng)中調(diào)取這一批200個追溯碼，通過工件的追溯碼與上級總成裝配的對應(yīng)關(guān)系，精確追溯到每一臺整車WIN碼。那么即使涉及整車召回，也可以精確到200臺，而不是漫無邊際，其余生產(chǎn)日期及批次的工件都可以被有效排除在外，大大降低了召回范圍和費用。

3　焊接質(zhì)量保障實例

3.1　系統(tǒng)自動檢測漏焊

本系統(tǒng)同時對每個工件的焊接時間進行統(tǒng)計，當工件的總焊接時間低于焊接時間區(qū)間時，或者某一條焊縫的焊接時間偏離時間區(qū)間時，即認為該工件可能存在漏焊，系統(tǒng)報警并篩選出疑似缺陷件，將工件的焊接質(zhì)量問題控制在生產(chǎn)現(xiàn)場。

3.2　監(jiān)控報警發(fā)現(xiàn)潛在質(zhì)量問題

生產(chǎn)過程中連續(xù)出現(xiàn)多次電流及電壓超標報警，但檢查工件焊縫無任何外觀缺陷，班組長進一步檢查工作站發(fā)現(xiàn)，由于短路引起塑料導(dǎo)絲管軟化粘結(jié)，造成焊接電流、電壓超出第二設(shè)定極限。操作工當即對其更換維護，避免了一次嚴重質(zhì)量事故，節(jié)約了質(zhì)量成本，有力保障了批產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，如圖11所示。

圖11　監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)潛在質(zhì)量問題案例

4　結(jié)束語

本文主要是針對汽車行業(yè)零部件機器人MAG弧焊過程開發(fā)了一套焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，搭建了焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺，利用Visual C++開發(fā)的軟件系統(tǒng)完成了監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計，基于MySQL搭建焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)分段焊縫的數(shù)據(jù)存儲與精確追溯，并將其成功應(yīng)用于批量生產(chǎn)中。

實際應(yīng)用證明該系統(tǒng)通用性強，對焊機的品牌及型號無特殊要求，具良好的推廣性。對批量生產(chǎn)焊接工藝（電流、電壓、時間）進行實時監(jiān)控并存檔，為了排除焊縫的起弧、收弧影響，可將焊縫分割為多段進行細化控制。若出現(xiàn)超出工藝范圍的情況，系統(tǒng)自動報警并隔離疑似缺陷件，能夠提前預(yù)防嚴重質(zhì)量問題的發(fā)生。

系統(tǒng)能夠通過零件上的追溯碼查詢到產(chǎn)品上所有焊縫的工藝參數(shù)記錄，能夠追溯到歷史焊接時的夾具編號及焊接機器人編號，有力保證了批量焊縫質(zhì)量，為后續(xù)零件的焊縫質(zhì)量評估提供了可靠的量化依據(jù)，可避免大規(guī)模召回的風險，有良好的經(jīng)濟效益。

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